异构小区中的能效优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种异构小区中的能效优化方法，步骤为：(1)定义加权能效函数来衡量异构小区中可达数据速率和各节点加权的能量消耗的比值，并且通过忽略中继接收到的噪声项，简化优化目标，得到分别关于发送矩阵Vrk和预编码矩阵Prk具有下凹性的优化目标函数；(2)对于步骤(1)中的简化的优化目标函数，然后通过分式规划以及KKT条件，利用两步迭代算法来求出到中继和用户的预编码矩阵的次优解，从而可以使得系统的数据速率和功率消耗比值达到最大，提高系统的性能。本发明可以应用到不同场景的无线覆盖网络中，对异构小区里的中继数和用户数均可进行扩展。
【专利说明】
异构小区中的能效优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体设及到一种多天线的异构小区下的能效优化 方法。
【背景技术】
[0002] 过去几十年间，人们对通信的发展重点关注了容量和误比特率，系统的能量消耗 却鲜有研究。随着通信需求的大幅增加，学术界和工业界都开始关注起系统的能量消耗效 率的问题。如何提高能量消耗效率(单位:比特每焦耳)将成为下一代无线通信系统中一个 重要的话题。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种异构小区中的能效优化方法， 使得系统的数据速率和能量消耗比值达到最大，提高系统的性能。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] 首先介绍异构小区，所述异构小区中屯、具有一个基站，K个中继散布在基站的周围 W提高系统性能。小区中N个用户分为I型用户和II型用户，I型用户直接和基站通信，II型 用户通过中继来通信。系统为多用户OFDMA系统，系统带宽B平均分配到N个子载波上，每个 子载波都被一个用户占用，基站，中继及用户配有多根天线。
[0006] 对于I型用户，第k个I型用户接收到的信号表示为：
[0007] Y〇k = H〇kV〇kS〇k+n〇k (1)
[000引 其中；
[0009]下标0表示基站索引为0;
[0010] 下标k表示基站0服务的第k个I型用户，运里ke{l，2...，N〇};
[001。 Sok表示基站发送给第k个I型用户的符号向量；
[001^ Vok表示基站对第k个I型用户的预编码矩阵；
[001引也k表示基站到第k个I型用户的信道矩阵；
[0014] nok表示第k个I型用户接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为 ，其中<苯示第k个I型用户接收的噪声协方差，Im表示阶数为M的方阵；
[0015] 对于II型用户，采用2个时隙来传输有效信息：
[0016] 在第1个时隙，中继处于接收状态，接收该小区基站给它的有效信息，第r中继接收 到的用于发送给其服务的第k个用户的有效信息表示为：
[0017] Xrk = GrVrkSrk+Wr (2)
[001引 其中；
[0019] 下标r表示中继索引为。
[0020] 下标k表示中继r服务的第k个II型用户，运里ke{l，2...，Nr};
[0021] Srk表示对中继r服务的第k个II型用户的符号向量；
[0022] Vrk表示对中继r服务的第k个II型用户的发送矩阵；
[0023] Gr表示基站到第r个中继的信道矩阵；
[0024] Wr表示第r个中继接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为气
[0025] 在第2个时隙，中继处于发射状态，给目标用户发射有效信息，第r个中继服务的第 k个用户接收到的信号表示为：
[0026] Yrk = HrkPrkRrk+nrk
[0027] = HrkPrkGrVrkSrk+HrkPrkWr+nrk (3)
[002引 r = l,. . .，K，k = l,. . .，Nr
[0029] 其中；
[0030] 下标r表示中继索引为r;
[0031] 下标k表示中继r服务的第k个II型用户，运里ke{l，2...，Nr};
[0032] Srk表示对中继r服务的第k个II型用户的符号向量；
[0033] Vrk表示对中继r服务的第k个II型用户的发送矩阵；
[0034] Gr表示基站到第r个中继的信道矩阵；
[0035] Prk表示中继r对其服务的第k个II型用户的预编码矩阵；
[0036] Hrk表示中继r到其服务的第k个II型用户的信道矩阵；
[0037] Wr表示第r个中继接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为
[0038] nrk表示中继r服务的第k个II型用户接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差 矩阵为其中表示第k个I型用户接收的噪声协方差，Im表示阶数为M的方阵；
[0039] 第k个I型用户能够获得的数据速率可W表示为：
[0040]
(4)
[0041 ]其中，Im表示阶数为M的单位方阵；
[0042] 曲k表示基站到第k个I型用户的信道矩阵；
[0043] Vok表示基站对第k个I型用户的预编码矩阵；
[0044]
，S〇k表示基站发送给第k个I型用户的符号向量，Im表示M阶的 单位方阵；
[0045] 巧>。,表示第k个基站用户的接收噪声协方差。
[0046] 第r个中继服务的第k个II型用户能够获得的数据速率可W表示为：
[0047]
巧）
[004引 其中；
[0049] Im表示阶数为M的单位方阵；
[0050] Hrk表示中继r到其服务的第k个II型用户的信道矩阵；
[0051] Prk表示中继r对其服务的第k个II型用户的预编码矩阵；
[0052] Gr表示基站到第r个中继的信道矩阵；
[0053]
，其中 <表示中继r服务的第 k个II型用户接收的噪声的协方差，表示中继节点r上的噪声协方差，Srk表示中继r发送 给第k个用户的符号向量，Im表示阶数为M的单位方阵。
[0化4] 岩:社的甘态消技要电.
[00 对
（6)
[0056] 其中；
[0057] MPeO表示基站和发送天线成正比例的功率消耗；
[005引PdO表示基站基带信号处理的静态功率消耗;运两个是常量，一般MPcO设为35dBm， PdO也设为35地m。
[0059] 第r个中继的功率消耗表示为：
[0060]
(7)
[0061 ]其中：
[0062] MPer表示中继和发送天线成正比例的功率消耗；
[0063] Pdr表示中继基带信号处理的静态功率消耗；运两个是常量，一般MPer和Pdr设为 35dBm〇
[0064] 下面为本发明采用的技术方案：
[0065] -种异构小区中的能效优化方法，其特征在于所述能效优化方法包括如下步骤：
[0066] (1)定义加权能效函数(WWE)来衡量异构小区中可达数据速率和各节点加权的能 量消耗的比值，并且通过忽略中继接收到的噪声项，简化优化目标，得到分别关于发送矩阵 Vrk和预编码矩阵Prk具有下凹性的优化目标函数；
[0067] (2)对于步骤1中的简化的优化目标函数，然后通过分式规划W及KKT条件，利用两 步迭代算法来求出到中继和用户的预编码矩阵的次优解，从而可W使得系统的数据速率和 功率消耗比值达到最大，提高系统的性能；
[0068] 所述步骤（1)中，定义的加权能效函数定义为系统可达数据速率和消耗能量的比 值，实际系统中的接入点最大数据发送速率不一样，而且中间节点的最大发送功率也不一 样，加权能效函数表示为：
[00691
(8)
[0070]其中；
[OOW K表示中继总数；
[0072] r表示中继编号，运里!￡{0,1,2. .. ,K}，当r = 0时表示基站；
[0073] Nr表示第r个中继服务的用户数；
[0074] k表示用户编号，运里ke{l，2...，Nr};
[0075] Rrk表示第r个中继到第k个用户的最大传输速率，表达式见公式巧）；
[0076] 丫 r表示第r个中继的数据速率权因子；
[0077] r 0表示基站消耗的功率，表达式见公式(6);
[0078] Tr表示第r个中继消耗的功率，表达式见公式(7);
[0079] 阶表示基站消耗功率的权因子；
[0080] 拍表示第r个中继消耗功率的权因子；
[0081] 忽略中继上接收到的噪声，也就是巧=0，则第r个中继上可获得的数据速率为：
[0082]
W
[0083] (r = l，...，K)
[0084] 则优化后的加权能效函数表示为：
[0085]
( 10)
[0086] 最大化加权能效巧数的优化问颗表示为：
[0087]
(11)
[008引 其中；
[0089] PBmax表示基站支持的最大功率；
[0090] Prmax表示中继r支持的最大功率。
[0091] 所述步骤(2)中，分式规划可W将公式(10)中的优化目标等效表示为：
[0094]并且要满足目1 =白2。[00巧]所述步骤（2)中，两巧巧化貸巧化下：
[oow] (12)
[oow] (13)
[0096] 1)初始
设置误差范围e，设置最大迭代次数 Tmax。其中，PBmax表示基站支持的最高功率，Prmax表示中继r支持的最高功率；
[0097] 2)通过公式(11)计算《；
[009引3)重复下面S个步骤直到|《-0:+i|含e或者n = Tmax
[0099] a.固定Vrk，求解公式（13)来获得Prk的最优解；
[01 00] b .固定Prk，求解公式（12 )来获得Vrk的最优解；
[0101] C.通过公式(11)更新砖+1，n = n+l。
[0102] 所述步骤(2)中，利用两步迭代算法迭代过程中求出的中继的发送矩阵Vrk和到用 户的预编码矩阵Prk的次优解可W按照下列等式一一求出：
[0103] Vok满足的等式为：
[0104]
(14)
[01化]其中，為^表示基站的功率限制的拉格朗日乘数；[0106] Vrk滿忠的尊式为：
[0107]
[010 引 表示基站r的功率限制的拉格朗日乘数；
[0109] Prk的结果表示为：
[0110] (16)
[0111]
[0112] 本发明的有益效果是：本发明提供的能效优化方法定义了一种加权能效函数 (WWE)来衡量异构小区中可达数据速率和能量消耗的比值。先对WWE函数简化，然后通过分 式规划W及KKT条件，利用两步迭代算法，可W求出到中继和用户的预编码矩阵的次优解， 从而可W使得系统的数据速率和能量消耗比值达到最大，提高系统的性能。
[0113] 本发明考虑了异构小区下不同的发送模式，包括有中继的或者没有中继的，并且 考虑了不同终端的优先级W及不同发送节点的发送功率限制。由于要优化的目标函数是非 凸的，因此通过忽略中继节点上的接收噪声，来简化优化函数。然后通过两步迭代算法来获 得次优解。对于单天线系统来说，运种迭代算法已经被证明是收敛的。
[0114] 本发明方法能够计算出基站的发送矩阵W及中继的预编码矩阵，W使得异构小区 下的加权能量效率比较高，提高系统的性能。仿真结果表明，不同的终端分布需要不同的网 络拓扑结构。对于终端随机分布的网络，使用中继会提高系统的总的数据速率，但运是W系 统的能量效率为代价的。对于有更多的热点的通信网络来说，中继可W用来同时提高系统 数据速率和能量效率。
【附图说明】
[0115] 图1为本发明方法II型用户第1时隙异构小区工作示意图；
[0116] 图2为本发明方法II型用户第2时隙异构小区工作示意图；
[0117] 图3为本发明方法单天线异构网络在不同中继数下的加权能量效率对比图。
【具体实施方式】
[0118] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0119] 如附图1、2所示，考虑多天线单个异构小区的场景下，系统为OFDMA系统，使用16个 子载波。小区中有1个基站，1个中继W及16个用户。基站和中继之间距离为400m。中继服务 于4个用户，其他用户直接和基站通信。用户在小区中是随机分布的。系统的中屯、频率为 2.4GHz。每一个基站，中继W及终端用户有两根天线。基站的最大发射功率PBmax = 40地m，中 继的最大发射功率为Prmax=37dBm，r=l，...，k，每个中继天线上的发射功率设为MPcr = 35地m，基站的设为MPc〇 = 35地m。每个中继基带处理功率消耗设为P化=35地m，基站的设为PdO =35地m。小区的半径设为700m。大尺度路径衰落为Lr = 201gd+201gfc+32.4,其中，d是距离，fc 是系统的中屯、频率。每个终端用户上的噪声设为巧^、=巧^，中继上的噪声设为<4 =口著。
[0120] 1)加权能效函数定义为系统可达数据速率和消耗能量的比值，实际系统中的接入 点最大数据发送速率不一样，而且中间节点的最大发送功率也不一样，加权能量效率函数 表示为：
[0121]
[0122] 其中；
[0123] r表示中继编号，:re{0,l. . . ,K}，当r = 0时表示基站，运里K = I;
[0124] k为用户编号，ke{l，2. . .，Nr}，运里No=12,化=4;
[01巧]复;表示忽略中继r上接收到的噪声，第r个中继上可获得的最大数据速率，表达式 为
；
[0126] 丫 r表示第r个中继的数据速率权因子，运里都设为1;
[0127] r〇表示基站消耗的功率，表达式为
[0128] r r表示第r个中继消耗的功率，表达式为：
[0129]
[0130] 阶表示基站消耗功率的权因子，运里都设为1;
[0131] 拍表示第r个中继消耗功率的权因子，运里都设为1;
[0132] 则优化目标函数的问题完整表示为：
[0133]
[0134] 标等效表示为：
[0135]
[0136]
[0137] 并且要满足目1 =白2;
[0138] 3)根据如下两步迭代算法，计算出次优的中继的发送矩阵Vrk和到用户的预编码矩 阵 Prk:
[0139] (1)初始A ，设置误差范围e，设置最大迭代次 数T丽；
[0140] (2)通过公式(11)计算C ;
[0141]
[0142] (3)重复下面S个步骤直到如或者n = Tmax
[0143] a.固定Vrk，求解公式（13)来获得Prk的最优解；
[01 44] b .固定Prk，求解公式（12 )来获得Vrk的最优解；
[0145] C.通过公式(11)更新娘:i.，n = n+l;
[0146] 4)两步迭代算法迭代过程中求出的中继的发送矩阵Vrk和到用户的预编码矩阵Prk 的次优解可W按照下列等式一一求出。
[0147] Vnk滿足的等式为：
[014 引
[0149] 其中，A。''表示基站的功率限制的拉格朗日乘数；
[0150] Vrk滿思的等式为：
[0151]
[0152] 表示基站r的功率限制的拉格朗日乘数；
[0153] Prk的结果表示为：
[0154]
[0155]
[0156] 运样求得的基站端W及中继端的预编码矩阵可W使得系统的加权能量效率函数 WEE达到最大值，使得系统的能量使用效率较高。在上述条件下，该能效优化方法可扩展到 多个中继的情况，利用同样的方法，本发明还提供了中继数为0,1,2 =种情况下的加权能量 使用效率性能对比图。具体见附图3,其中横坐标SNR表示信噪比，纵坐标表示加权能量使用 效率的最优值。可W得出结论小区中中继数量增加会降低系统的加权能量使用效率。
[0157] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种异构小区中的能效优化方法，其特征在于:包括如下步骤： (1) 定义加权能效函数来衡量异构小区中可达数据速率和各节点加权的能量消耗的比 值，并且通过忽略中继接收到的噪声项，简化优化目标，得到分别关于发送矩阵V rk和预编码 矩阵Prk具有下凹性的优化目标函数； 其中，所述加权能效函数表示为：上式中： K表示中继总数； r表示中继编号，这里re {〇，1，2…，K}，当r = 0时表示基站； Nr表示第r个中继服务的用户数； k表示用户编号，这里ke{l，2'"，Nr}; Rrk表示第r个中继到第k个用户的最大传输速率； 表示第r个中继的数据速率权因子； Γ〇表示基站消耗的功率； Γ r表示第r个中继消耗的功率； β〇表示基站消耗功率的权因子； &表示第r个中继消耗功率的权因子； (2) 对于步骤（1)中的简化的优化目标函数，然后通过分式规划以及KKT条件，利用两步 迭代算法来求出到中继和用户的预编码矩阵的次优解，从而可以使得系统的数据速率和功 率消耗比值达到最大。2. 根据权利要求1所述的异构小区中的能效优化方法，其特征在于:所述步骤（1)中，简 化优化目标的步骤为：忽略中继上接收到的噪声，也就是= 〇，则第r个中继上可获得的 数据速率为：则优化后的加权能效函数表示为：最大化加权能效函数的优化问题表示为：其中： PBmax表不基站支持的最大功率； Prmi?表示中继r支持的最大功率。3. 根据权利要求1所述的异构小区中的能效优化方法，其特征在于:所述步骤(2)中，分 式规划将优化后的加权能效函数的优化目标等效表示为：并且要满足θ? = θ2。4. 根据权利要求1所述的异构小区中的能效优化方法，其特征在于:所述步骤(2)中，两 步迭代算法如下：2)通过公式（11)计算 3 )重复下面三个步骤直到||< -.Cl | < e:或者n = Tmax a.固定Vrk，求解公式(13)来获得prk的最优解； b .固定Prk，求解公式(12 )来获得Vrk的最优解； 。.通过公式（11)更新《+1，.11 = 11+1。5. 根据权利要求1所述的异构小区中的能效优化方法，其特征在于:所述步骤(2)中，利 用两步迭代算法迭代过程中求出的中继的发送矩阵V rk和到用户的预编码矩阵Prk的次优解 按照下列等式一一求出： V〇ki两足的等式为：其中，|表示基站的功率限制的拉格朗日乘数； U两足的等式为：V表示基站r的功率限制的拉格朗日乘数； Prk的结果表不为：
【文档编号】H04B7/04GK105827284SQ201610134732
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月9日
【发明人】俞菲, 王民锋, 张皓月, 黄永明, 杨绿溪
【申请人】东南大学